再进一步减小空化数，片状空穴将连续增长，其尾部也变得更加不稳定，大尺度空泡团将在空穴的后部形成并脱落，形成云状空化。云状空化是一种典型的非定常流动现象，云状空化对水力机械以及船舶螺旋桨的空化剥蚀、噪声和振动，对水下高速航行体的水动力特性 及稳定性控制具有非常重要的影响。实验观察表明，云状空化流动过程呈现明显的准周期性，图2-11给出了空化云在一个周期内的发展过程。图2-11的左侧图是在翼型的翼展中面处形成激光片光源上观察到云状空化在一个周期内的流动图谱；图2-11的右侧图是俯视图。空化云的脱落频率大约为20 Hz。基于空穴平均长度和主流平均速度的斯特劳哈数St为0.1。在云状空化阶段，空穴的变化和发展与片状空化相似，即空穴的前部附着在壁面上，后部呈不稳定状态。当空化旋涡脱落过程刚刚完成后，残存的空穴全部附着在壁面上。空穴随时间的推移而迅速增大，表现为其尾部向下游的发展。在这个过程中，在图2-11所示的片光剖面上，空泡团以顺时针方向旋转。该旋转运动在连续的图像放映过程中，可以被明显地观察到。

图2-11　空化云流动结构随时间的变化（α=8°，σ=0.80）

（a）t=0；（b）t=5.5 ms；（c）t=16.7 ms；（d）t=27.8 ms；（e）t=38.9 ms；（f）t=50 ms

云状空化流动一直是研究者关注的重点问题，图2-12描述了与图2-11相似的流动工况下，附着型空穴的生长（反向射流的发展）和空穴的断裂的准周期变化过程。在此工况下，云状空化的发展周期约为Tcycle=40 ms（Tcycle为当α=8°、σ=0.80时，云状空化发展的一个完整周期）。为了更清晰地描述云状空穴的旋涡运动，图2-12中标出了空穴内部流场的流动方向。在t=0.125Tcycle时刻，在水翼前缘处形成透明状附着型空穴，并处于持续的增长状态；在t=0.475Tcycle时刻，附着型空穴逐渐覆盖了水翼的整个吸力面，并开始在空穴尾部产生逆时针的空化旋涡。在t=0.625Tcycle～0.875Tcycle阶段，在紧贴壁面的区域内诱导了一股指向上游的反向射流，并持续向上游运动。水翼尾部的水-汽混合相区域逐渐形成并扩大，而透明状的汽相空穴区域则逐渐缩小。在空穴前缘附近，反向射流与主流相遇，两股方向相反的流 动相互作用。在t=1.0Tcycle时刻，随即产生了空穴的断裂和大尺度空泡的旋涡脱落。空穴断裂后，空泡团随主流不断向下游运动。

图2-12　云状空穴准周期性发展过程（α=8°，σ=0.80）

（a）t=0.125Tcycle；（b）t=0.250Tcycle；（c）t=0.475Tcycle；（d）t=0.625Tcycle；（e）t=0.875Tcycle；（f）t=1.0Tcycle

图2-13描述了应用空化图像分析与处理方法得到的空穴面积变化趋势。图2-14给出了σ=0.8时，无量纲空穴面积S/SC（S是空穴面积，SC是水翼剖面面积）在3个发展周期内的变化曲线。在空穴的非定常发展过程中，空穴面积的最小值接近零，最大值在1.1SC左右，平均值为0.72SC，通过图像处理得到的结果和数值计算的结果所描述的空穴面积随时间的变化过程均呈现明显的周期性。图2-15给出了在上述工况下，不同翼弦处的空化云的厚度随时间的变化，水翼中后部的空化云厚度要明显大于水翼前缘处的厚度，空化云的厚度随时间出现更大幅度的变化，并且越往水翼的后部这种趋势越明显，厚度脉动的最大幅度发生在80%与100%的弦长位置处。由上面的分析可以看出，空穴形态存在强烈的非定常变化，这是云状空化之所以能导致结构强烈振动和噪声的主要原因。(www.daowen.com)

图2-13　空穴图像二值处理过程

图2-14　附着型空穴面积随时间的波动

图2-15　不同翼弦处空穴厚度随时间的变化

图2-16给出了大尺度的空泡团脱落-断裂-溃灭的全过程，以及描述这一过程的示意图。在云状空化阶段，伴随着空泡团的脱落，首先在空穴尾部形成U形的空泡涡腔，随着时间的推移，此空泡腔逐渐向下游移动；然后U形空泡涡腔从其头部断裂，形成两个较小的空泡腔结构；最后涡腔两侧逐渐溃灭、消逝。

图2-16　大尺度空泡团的脱落、溃灭过程（实验）（σ=0.80，α=8°，Re=7×105）